(57)【要約】【課題】  ヘッド吸引装置を不要とし、かつ液体試料の効率的な利用を可能とすることによって経済性を向上させ、あわせて準備作業の迅速化によって生産性を向上させることのできる、液体試料の分注装置または分注方法を提供する。【解決手段】  液体試料の分注装置は、複数のインクタンク１３と、注入手段と、減圧手段とを有する。インクタンク１３は下端に液体試料を吐出するノズルを備え、上方に液体試料を注入する注入口を備える。減圧手段は、複数のノズルの開口端を内部に含む密閉空間９を形成する手段と、密閉空間９の内部と外部とを連絡するパイプ２５、チューブ２６と、これらに接続された真空ポンプ等よりなる。密閉空間９は、ノズルの表面張力による最大耐漏圧から、インクタンク１３の液面とノズルの開口端との間に生じる水頭圧を減じた値よりも小さい圧力が注入口に対して減圧され、その状態で液体試料が注入される。【選択図】  図２
2005061915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に液体試料を吐出するノズルを備え、他端に前記液体試料を注入する注入口を備えた複数の試料タンクと、
前記液体試料を前記注入口から注入する注入手段と、
少なくとも一部の前記試料タンクの前記ノズルの開口端を、前記注入口に対して同時に減圧させる減圧手段とを有する液体試料の分注装置。
【請求項２】
前記減圧手段は、前記ノズルの表面張力による最大耐漏圧から、前記試料タンクの試料の液面と前記ノズルの前記開口端との間に生じる水頭圧を減じた値よりも小さい圧力を、前記注入口に対して減圧する、請求項１に記載の分注装置。
【請求項３】
前記減圧手段は、複数の前記ノズルの開口端を内部に含む密閉空間を形成する手段と、該密閉空間の内部と外部とを連絡する連絡手段と、該連絡手段に接続され、該連絡手段を介して前記密閉空間を減圧する負圧形成手段とを有する、請求項１または２に記載の分注装置。
【請求項４】
前記負圧形成手段は、前記密閉空間の圧力検出手段と、該圧力検出手段によって検出された前記密閉空間の圧力に応じて前記密閉空間の圧力を制御する制御手段とをさらに有する、請求項３に記載の分注装置。
【請求項５】
複数の前記試料タンクは平面内に格子状に配列保持されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の分注装置。
【請求項６】
前記試料タンクは、前記液体試料に吐出用のエネルギーを発生させる素子を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の分注装置。
【請求項７】
一端に液体試料を吐出するノズルを備え、他端に前記液体試料を注入する注入口を備えた複数の試料タンクの、少なくとも一部の前記ノズルの開口端を、前記注入口に対して同時に減圧させる減圧ステップと、
減圧された状態を維持しながら、前記液体試料を前記注入口から注入する注入ステップと、
注入が終了した後に、前記開口端を前記注入口と均圧させる均圧ステップとを有する液体試料の分注方法。
【請求項８】
前記減圧ステップは、前記ノズルの表面張力による最大耐漏圧から、前記試料タンクの試料の液面と前記ノズルの前記開口端との間に生じる水頭圧を減じた値よりも小さい圧力を、前記注入口に対して減圧する、請求項７に記載の分注方法。
【請求項９】
前記減圧ステップは、複数の前記ノズルの前記開口端を内部に含む密閉空間を形成するステップと、
該密閉空間の内部と外部との連絡手段を形成するステップと、
該連絡手段を介して前記密閉空間を減圧する負圧形成ステップとを有する、請求項７または８に記載の分注方法。
【請求項１０】
前記負圧形成ステップは、前記密閉空間の圧力を検出するステップと、該圧力に応じて前記密閉空間の圧力を制御するステップとをさらに有する、請求項９に記載の分注方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体試料の分注装置および分注方法、特にノズル開口が平面内に格子状に配列されたインクジェットヘッドに液体試料を分注する分注装置および分注方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の液体試料の分注装置および分注方法を図９から図１１を用いて説明する。
【０００３】
図９は従来の分注装置の要部斜視図である。分注関連作業の効率化をはかるために、液体試料の吸入・吐出を行うチップ１０１が通常複数個所定の間隔で配列されて、チップ群が形成されている。チップ１０１の各々は、ピストンとシリンダとからなるシリンジポンプ（図示せず）の液体試料の吸入・供給口に接続されている。シリンジボックス１０２は上記の複数のシリンダおよび上記の複数のピストンを駆動する駆動手段（図示せず）を備えている。また、シリンジボックス１０２は、分注装置の支柱１０３に沿って図９中のＺ方向に移動可能に構成されている。ステージ１０４は、洗浄層１０５や各種の液槽１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ等がセットできるようになっており、図９中の矢印ＸＹ方向に移動駆動可能に構成されている。ステージ１０４にはさらに、チップ１０１から吐出された液体試料を受容する分注先としてインクジェットヘッド１１１がセットできるようになっている。以上のような構成により、洗浄層１０５でチップ１０１を洗浄しつつ、所望の液槽１０６ａ等から液体試料を吸引し、インクジェットヘッド１１１に所望の液体試料を必要な量だけ分注することができる。
【０００４】
図１０は、このような分注装置によって分注した液体試料を受容するインクジェットヘッド１１１の概観斜視図である。インクジェットヘッド１１２の外周は枠体１１１によって構成されており、内部に複数のインクタンク１１３が設けられている。インクタンク１１３はＭ行Ｎ列の格子状に設けられている。図１１は１つのインクタンク１１３を図１０のＩ−Ｉ方向から見た断面図であり、インクジェットヘッド１１１内の流路構成を模式的に表したものである。インクタンク１１３は上部が大気に開放され、内部は直径数ｍｍ程度の円柱状の空間を形成しており、液体試料を蓄える。底部には液体試料の吐出口であるノズル１１４が設けられており、直径１６μｍ程度のオリフィスを形成している。インクタンク１１３とノズル１１４は一対一に対応して連通しており、ノズル１１４もＭ行Ｎ列の格子状に設けられている。流路の途中にフィルタ１１５が設けられている。フィルタ１１５の隙間は１０μｍ〜１５μｍ程度であり、インクタンク１１３中の液体試料に万一ゴミ等の異物が混入していた場合に、異物がノズル１１４に達して目詰まりを起こさないようにしている。流路の途中にはまた、ヒーター１１６が設けられており、所定のパルス電圧を印加することにより液体試料をノズル１１４から吐出させる。
【０００５】
図９に示したように、インクジェットヘッド１１１は分注装置のステージ１０４にセットされており、分注装置のチップ１０１のそれぞれがインクタンク１１３に入り込む形で、上面から液体試料が所定量分注される。図１１に示したように、分注された液体試料は重力と流路が発生する毛細管力によってノズル１１４近傍まで達する。しかし液体試料は、常にノズル１１４まで充填されてすぐに吐出できる状態になっているとは限らない。液体試料の表面張力・粘度等の物性値、インクジェットヘッド１１１の流路を構成する部分やフィルタ１１５の材質・表面性によっては、液体試料はノズル１１４まで達せずに途中で止まってしまうこともある。したがって、インクジェットヘッド１１１を使って液体試料を吐出するための準備段階として、ノズル１１４を吸引するヘッド吸引装置を別途用意し、インクジェットヘッド１１１のノズル１１４の一つ一つに対して個別に、ノズル１１４側から微小量の液体試料を吸引して、液体試料がノズル１１４のオリフィスまで確実に充填され、メニスカスを張った状態にする必要がある。
【０００６】
次に、従来のヘッド吸引装置の構成を、図１２から図１７を用いて説明する。図１２は従来例のヘッド吸引装置の上面図である。図１３は、図１２のＪ−Ｊ断面図である。図１４は図１２の右側面図である。図１５は図１３のＫ−Ｋ断面図である。図１６は、インクジェットヘッド１１１単体の上面図である。図１７は図１６のＬ−Ｌ断面図である。
【０００７】
ベースプレート１２１に側板１２２ａと側板１２２ｂが設けられ、側板１２２ａと側板１２２ｂ上にヘッドプレート１２３が取り付けられている。インクジェットヘッド１１１には、インクタンク１１３がＭ行Ｎ列の格子状に設けられているが、図１２ないし図１７の各図に示すように、ここでは３行３列の場合を表している。インクジェットヘッド１１１は、ビス１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃによりヘッドプレート１２３に取り付けられている。各インクタンク１１３にはそれぞれ異なる液体試料が分注され、個々にノズル１１４と連通しているため、各々のノズル１１４からは異なる液体試料が吐出される。ベースプレート１２１上にはＸステージ１２５が搭載されている（図１３参照。）。Ｘステージ１２５にはレール１２６が設けられており、レール１２６上をＸステージ可動部１２７が左右に移動する。Ｘステージ可動部１２７上にはＺステージ１２８が取り付けられており、Ｚステージ１２８に移動可能に設けられたＺステージ可動部１２９がＺステージ１２８に対して上下方向に移動する。Ｚステージ可動部１２９上にはキャップ台１３０が取り付けられており、その上にキャッププレート１３１が取り付けられている。キャップパイプ１３３がキャッププレート１３１を貫通して設けられ、ゴム部材で構成されているキャップ１３２がキャップパイプ１３３に圧入されている。キャップ１３２はノズル１１４に対向する位置に設けられており、インクジェットヘッド１１１に密着するときは、ノズル１１４の１個づつをカバーし、他のノズル１１４に非接触の状態で近づくことができる。また、キャップ１３２の吸引口はノズル１１４の開口よりも広く構成されている。キャップパイプ１３３は、キャップジョイント１３４に接着され、キャップジョイント１３４の他端はチューブ１３７と接続している。キャップジョイント１３４はキャップ台１３０に対して移動可能であり、その位置はキャッププレート１３１に設けられた穴にキャップジョイント１３４が挿入されることで位置決めされている。キャップジョイント１３４の外周部にはキャップバネ１３５が設けられており、キャップバネ１３５とキャップ台１３０の間にはキャップワッシャ１３６が設けられている。
【０００８】
チューブ１３７は、図１５に示すように、各々大気弁１３８に連結されている。大気弁１３８は３方向電磁弁であり、電気信号により、大気口１４０を通じて大気開放されている大気チューブ１３９と、チューブを介して接続しているポンプ１４１とに切替えることができる。ポンプ１４１は廃液チューブ１４２を介して廃液タンク１４３と接続している。大気弁１３８、ポンプ１４１、廃液タンク１４３はキャップ１３２に対して各々１個づつ設けられている。
【０００９】
次に、従来のヘッド吸引装置の作用を、図１３を用いて説明する。液体試料をノズル１１４のオリフィスまで確実に充填させ、メニスカスを張った状態にするには、まずＺステージ可動部１２９を上昇させる。これによってキャップ１３２がインクジェットヘッド１１１に接触し、さらにＺステージ可動部１２９を上昇させると、キャップ台１３０およびキャップワッシャ１３６が上昇する。その結果、キャップバネ１３５が圧縮されキャップ１３２が撓み、キャップ１３２とインクジェットヘッド１１１とが密着する。そしてチューブ１３７に接続しているポンプ１４１を作動させて、キャップ１３２を介してノズル１１４より空気または液体試料を吸引する。これによって、ノズル１１４内には液体試料が確実に充填され、ノズル１１４に液体試料のメニスカスが張った状態になる。
【００１０】
次に、Ｚステージ可動部１２９を下降させるとキャップ１３２はインクジェットヘッド１１１より離れる。Ｘステージ可動部１２７を図１３上で右方向に移動することで、他行のノズル１１４から吸引動作を行うことができる。
【００１１】
以上の操作を、図１８を用いてより詳細に説明する。図１８は、インクジェットヘッド１１１に設けられたノズル１１４から液体を吸引する場合の流路図である。（ａ）は待機時の状態を、（ｂ）は吸引時の状態を、（ｃ）はキャップ解除時の状態をそれぞれ示している。
【００１２】
待機時（ａ）においては、インクタンク１１３には各々異なる液体試料が分注されている。キャップ１３２はインクジェットヘッド１１１から離れている。キャップ１３２に連通しているチューブ１３７は、大気弁１３８、大気チューブ１３９、大気口１４０を介して大気に開放されている。
【００１３】
吸引時（ｂ）においては、キャップ１３２が上昇し、インクジェットヘッド１１１の所定のノズル１１４に密着する。この際、キャップ１３２が他のノズル１１４と接触することはない。大気弁１３８は、キャップ１３２がインクジェットヘッド１１１に密着された後に、チューブ１３７とポンプ１４１が連結するように切り替えられる。その後ポンプ１４１を運転し、キャップ１３２を介してノズル１１４より液体を吸引する。吸引した液体は廃液チューブ１４２から廃液タンク１４３に排出される。
【００１４】
キャップ解除時（ｃ）においては、大気弁１３８は、ポンプ１４１の動作完了後、チューブ１３７と大気チューブ１３９とが連通するように切り替えられる。その後、キャップ１３２を下降させ、インクジェットヘッド１１１から離れた状態に戻る。
【００１５】
（ａ）（ｂ）（ｃ）の動作完了後にＸステージ可動部１２７を動作させ、キャップ１３２を移動し（ａ）（ｂ）（ｃ）の同じ動作を行うことで、全てのノズル１１４より空気または液体試料を吸引することが可能である。ノズル１１４の個数が増加しても、同様の構成をノズル数に応じて増加することで同様の動作を行うことができる。
また、複数個設けられているノズル１１４の一部のノズル１１４だけから液体を吸引することも可能である。例えば、液体を吸引しないノズル１１４にキャップ１３２が密着しているときには、上記（ｂ）（ｃ）の動作時に大気弁１３８やポンプ１４１を動作させず、液体を吸引するノズル１１４にキャップ１３２が密着しているときだけ、上記（ａ）（ｂ）（ｃ）の動作を行なうようにすれば、一部のノズル１１４だけから液体を吸引することが可能である。
また、ノズル１１４と対応する位置にノズル１１４と同数のキャップ１３２を設け、キャップ１３２に対応して大気弁１３８、ポンプ１４１、廃液タンク１４３等を設ければ、Ｘステージ可動部１２７を設けなくても、全てのノズル１１４または一部のノズル１１４より空気または液体試料を吸引することができる。
【００１６】
以上詳述したように従来の技術では、分注装置によってインクジェットヘッドに液体試料を分注するときに、上部が大気開放されたインクタンクに分注装置のチップから液体試料を滴下しており、液体試料がノズル先端まで達するかどうかは重力と毛細管力に依存し不安定であるため、液体試料がノズル先端まで確実に充填されるように、別途ヘッド吸引装置を用意しノズルの一つ一つに対して個別にキャップを密着させて吸引動作をしなければならない。この吸引動作は、分注動作だけで液体試料がすでにノズル先端まで充填されているものも、液体試料が途中で止まってノズル先端まで充填されていないものも一律に行う必要がある。従来のインクジェットプリンター等のインクジェット吐出装置においては、インク色の異なるノズルのインクを単一のキャップにて一括して吸引していたが、各ノズルに異なる液体試料を分注し、液体試料が分注されていないノズルが存在した場合に、各ノズルから単一のキャップを用いて一括して吸引を行うと、液体試料が分注されていないノズルより空気を吸引してしまい、液体試料が分注されているノズルからは吸引できないという問題点が存在した。そのため、上述したように各ノズルから個別に吸引する構成が必須であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、以上説明した従来の技術では以下のような課題があった。
【００１８】
まず、ヘッド吸引装置はインクジェットヘッドの各ノズルを個別に吸引できる構造が必要になる。そのため、インクジェットヘッドのノズル数が増えれば増えるほど、それに対応するヘッド吸引装置は、キャップから吸引ポンプに至る吸引系統をはじめとして、構成する部品点数が多くなり、複雑で大掛かりな装置が必要となってしまうという課題があった。
【００１９】
次に、ヘッド吸引装置によるヘッド吸引動作は、待機・吸引・解除・ステージの移動という動作を繰り返して、インクジェットヘッドのすべてのノズルに対して吸引を行うものであるため、インクジェットヘッドのノズル数が増えれば増えるほど、繰返しの動作回数は増やさざるをえず、実際に装置を運用した経験によれば数十分単位の長い時間を費やしてしまうという課題があった。
【００２０】
また、ヘッド吸引装置によるヘッド吸引は、分注動作だけで液体試料がノズル先端まで充填されているものも、液体試料が途中で止まってノズル先端まで充填されていないものも一律に行う必要があり、また、吸引後は全ての液体を同一タンクに混入させるため、吸引された液体は廃液となり他に使いみちがなかった。このため、特に高価な液体試料を取り扱う場合、例えばＤＮＡチップを製造するために必要なＤＮＡ試薬等の高価な液体試料を扱う場合は、高価な液体試料を無駄に廃棄することにつながるという、経済的な課題もあった。
【００２１】
本発明は上述した従来技術の課題に鑑みて、インクジェットヘッドのインクタンクに液体試料を分注し吐出描画の準備を行う際に、ヘッド吸引装置を不要とし、かつ液体試料の効率的な利用を可能とすることによって経済性を向上させ、あわせて準備作業の迅速化によって生産性を向上させることのできる、液体試料の分注装置または分注方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために本発明の液体試料の分注装置は、一端に液体試料を吐出するノズルを備え、他端に液体試料を注入する注入口を備えた複数の試料タンクと、液体試料を注入口から注入する注入手段と、少なくとも一部の試料タンクのノズルの開口端を、注入口に対して同時に減圧させる減圧手段とを有している。
【００２３】
液体試料を注入口から注入する際に、あらかじめノズルの開口端側を減圧することによって、ノズルの内部に滞留していた空気が負圧で抽出され、ノズルの内部が液体試料で充満する状態を容易に作ることができる。これによって各試料タンクに充填された試料は、所定のパルス電圧をヒーターに印加する等の方法によって直ちに、描画やチップの作成を行うことができる。
【００２４】
減圧手段は、ノズルの表面張力による最大耐漏圧から、試料タンクの試料の液面とノズルの開口端との間に生じる水頭圧を減じた値よりも小さい圧力を、注入口に対して減圧するように構成することができる。これによって、液体試料がノズルから漏れ出ない限界までノズルの開口端側を減圧することが可能となり、より一層確実にノズルの内部が液体試料で充満する状態を作ることができる。
【００２５】
減圧手段は、複数のノズルの開口端を内部に含む密閉空間を形成する手段と、密閉空間の内部と外部とを連絡する連絡手段と、連絡手段に接続され、連絡手段を介して密閉空間を減圧する負圧形成手段とを有する構成とすることができる。これによって、ノズルの開口端側の減圧する範囲を限定でき、かつ確実に減圧することが可能となる。
【００２６】
負圧形成手段は、密閉空間の圧力検出手段と、圧力検出手段によって検出された密閉空間の圧力に応じて密閉空間の圧力を制御する制御手段とをさらに有するように構成することができるので、密閉空間の圧力を一定に保ち、より安定・確実にノズルを液体試料で充満することができる。
【００２７】
本発明の液体試料の分注装置は、複数の試料タンクが平面内に格子状に配列保持されるよう構成することができる。これによって、ノズルが液体試料で充満された多くの試料タンクを同時に迅速確実に作成することができ、また、複数の試料タンクをまとめて取り外せば、別の場所において描画やチップの作成を迅速かつ容易に行うことができる。
【００２８】
試料タンクは、液体試料に吐出用のエネルギーを発生させる素子を有する構成とすることができる。これによって、描画やチップの作成を既存のインクジェット技術を用いて行うことができる。
【００２９】
本発明の液体試料の分注方法は、一端に液体試料を吐出するノズルを備え、他端に液体試料を注入する注入口を備えた複数の試料タンクの、少なくとも一部のノズルの開口端を、注入口に対して同時に減圧させる減圧ステップと、減圧された状態を維持しながら、液体試料を前記注入口から注入する注入ステップと、注入が終了した後に、開口端を注入口と均圧させる均圧ステップとを有している。
【００３０】
これによって、ノズルの内部に滞留していた空気が負圧で抽出され、ノズルの内部が液体試料で充満する状態を容易に作ることができるので、所定のパルス電圧をヒーターに印加する等の方法によって直ちに、描画やチップの作成を行うことができる。
【００３１】
減圧ステップは、ノズルの表面張力による最大耐漏圧から、試料タンクの試料の液面と前記ノズルの開口端との間に生じる水頭圧を減じた値よりも小さい圧力を、注入口に対して減圧することができる。これによって、液体試料がノズルから漏れ出ない限界までノズルの開口端側を減圧することが可能となり、より一層確実にノズルの内部が液体試料で充満する状態を作ることができる。
【００３２】
減圧ステップは、複数の前記ノズルの開口端を内部に含む密閉空間を形成するステップと、密閉空間の内部と外部との連絡手段を形成するステップと、連絡手段を介して密閉空間を減圧する負圧形成ステップにより構成することができる。これによって、ノズルの開口端側の減圧する範囲を限定でき、かつ確実に減圧することが可能となる。
【００３３】
負圧形成ステップは、密閉空間の圧力を検出するステップと、圧力に応じて密閉空間の圧力を制御するステップとをさらに有するよう構成することができるので、密閉空間の圧力を一定に保ち、より安定・確実にノズルを液体試料で充満することができる。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように、本発明の液体試料の分注装置あるいは分注方法によれば、分注先容器であるインクジェットヘッドに液体試料を分注する工程だけで、ヘッドのノズル先端のオリフィスまで液体試料が確実に充填されるので、インクジェットヘッドの各ノズルを個別に吸引するための複雑で大掛かりなヘッド吸引装置は不要となる。また、ヘッド吸引動作が不要になるため、描画のための準備時間が短縮できる。さらに、液体試料を無駄に廃棄することがなくなり、特に、ＤＮＡチップを製造するためのＤＮＡ試薬等、高価な液体試料を扱う場合は、液体試料の効率的な利用が可能となり経済的な効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の液体試料の分注装置の第１の実施形態を示す斜視図である。分注関連作業の効率化をはかるために、液体試料の吸入・吐出を行うチップ１が通常複数個所定の間隔で配列されて、チップ群が形成されている。チップ１の各々は、ピストンとシリンダとからなるシリンジポンプ（図示せず）の液体試料の吸入・供給口に接続されている。シリンジボックス２は上記の複数のシリンダおよび上記の複数のピストンを駆動する駆動手段（図示せず）を備えている。また、シリンジボックス２は、分注装置の支柱３に沿って図1中のＺ方向に移動可能に構成されている。ステージ４には、洗浄層５や各種の液槽６ａ、６ｂ、６ｃ等がセットされており、図1中の矢印ＸＹ方向に移動可能である。ステージ４にはさらに、チップ１から吐出された液体試料を受容する分注先容器としてインクジェットヘッド1１がセットできるようになっている。以上のような構成により、洗浄層５でチップ１を洗浄しつつ、所望の液槽６ａ等から液体試料を吸引し、インクジェットヘッド１１に所望の液体試料を必要な量だけ分注することができる。さらに、インクジェットヘッド１１の搭載部の下方には、インクジェットヘッド１１のノズル１４の開口近傍を減圧させる減圧手段が設けられているが、詳細は後述する。インクジェットヘッド１１には、インクタンク１３がＭ行Ｎ列の格子状に設けられている。配列構成は従来の技術と特に変わる点はなく、例えば図１０に示したとおりである。なお、ここではインクタンク１３を例として説明しているが、液体試料はインクに限らず、例えばＤＮＡチップにおけるＤＮＡ試薬のようなものであってもよく、より一般的には、インクタンク１３は試料タンクを意味する。
【００３６】
図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。インクジェットヘッド１１の搭載部の下方には凹部７が設けられている。ステージ４の上面には位置決めピン（図示せず）が２本設けられていて、インクジェットヘッド１１はこの位置決めピンによって位置決めされ、手回しネジ８によってステージ４に固定されている。凹部７の内部には、インクジェットヘッド１１のノズル１４の開口端近傍を大気圧より減圧させる減圧手段が設けられている。減圧手段は、密閉空間９、密閉空間９の内部と外部とを連絡する連絡手段および連絡手段に接続され連絡手段を介して密閉空間９を減圧する負圧形成手段によって構成されている。
【００３７】
まず、平面部とその周囲を取り囲む側面部とからなるゴムキャップ２２がインクジェットヘッド１１の下方に設けられている。ゴムキャップ２２はインクジェットヘッド１１のすべてのノズル１４を下方から覆っている。ゴムキャップ２２の剛性を確保するために、ゴムキャップ２２の底面は金属製プレート２３で保持されている。金属製のプレート２３の下側には複数のスプリング２４が懸架されていて、スプリング２４の他端は凹部７の底面に支持されている。ゴムキャップ２２はスプリング２４の弾性力によってインクジェットヘッド１１に所定の圧力で押し付けられており、ゴムキャップ２２とインクジェットヘッド１１のノズル１４の開口側の面とで密閉空間９が形成されている。
【００３８】
密閉空間９には、内部と外部との連絡手段が設けられている。すなわち、プレート２３およびゴムキャップ２２のほぼ中央部に開口（図示せず）が開いており、パイプ２５がシール性を保持しつつこれらの開口を貫通しており、その端部は密閉空間９内に開口している。パイプ２５のもう一方の端部にはチューブ２６が接続されている。チューブ２６はステージ４に開けられた穴２７およびステージ４の底面に設けられた溝２８を通って、次に説明する負圧形成手段と連絡している。
【００３９】
負圧形成手段を、図３を用いて説明する。図３は、負圧形成手段のシステム概念図である。ゴムキャップ２２を貫通しているパイプ２５は、チューブ２６、電磁弁３０、レギュレータ３１とを経由して真空ポンプ３２に接続されている。真空ポンプ３２の作動により密閉空間９は減圧される。密閉空間９に挿入されているプローブ２９は、圧力計３３に接続されており、密閉空間９の圧力を検出する。制御部３４は、圧力計３３で検出した密閉空間９の圧力と大気圧との差圧から電磁弁３０の開閉度を制御し、密閉空間９の圧力が所定の値または所定の範囲に維持されるように制御する。
【００４０】
インクタンク１３の詳細を、図４を用いて説明する。図４は、インクタンク１３の側方断面図であり、インクタンク１３からノズル１４にかけてのインク流路の構成を併せて示している。本実施形態では以下、インクタンク１３を縦に設置した状態、すなわちノズル１４が下方にある状態を前提に説明するが、必ずしもこれに限定されるわけではない。インクタンク１３は液体試料を貯蔵する本体と、本体に接続する管路とからなっている。本体の内径φＤは、本実施形態では２.２ｍｍである。本体の底部は先細りとなっており、底部から細い水平の管路が９０°屈曲して接続している。管路の水平部には上流側からフィルタ１５とヒーター１６とが設けられており、その下流で再度９０°屈曲し、終端にノズル１４が設けられている。ノズル１４の吐出口の内径φｄは本実施形態では１６μｍである。フィルタ１５の隙間は１０μｍ〜１５μｍ程度であり、インクタンク１３中の液体試料に万一ゴミ等の異物が混入していた場合に、異物がノズル１４に達して目詰まりを起こさないようにしている。ヒーター１６は、所定のパルス電圧を印加することにより液体試料に熱エネルギーを発生させ、加熱・膜沸騰させ、その圧力でノズル１４から液体試料を吐出させるヒーター素子である。インクタンク１３の上面は大気に開放された注入口１３ａを形成している。なお、液体試料の吐出手段は、以上説明した発熱抵抗体を有する発熱素子による電気熱変換体を用いる場合に限られず、例えばピエゾ素子等の電気機械変換体等の圧力エネルギー発生手段を用いる方法や、レーザー等の電磁波を液体試料に照射吸収させて飛翔液体を発生させる電磁エネルギー発生手段を用いる方法も適用することができる。
【００４１】
次に、密閉空間９の圧力Ｐをどのような値に制御するのかにつき、図４を用いて説明する。液体試料には、液体試料自体の水頭圧、毛細管力および、インクタンク１３の上面とノズル１４との間の差圧が作用する。インクタンク１３に分注されうる液体試料の水頭ｈは、ノズル１４の開口端のオリフィス面から液体試料の水面までの高さであり、本実施形態では５ｍｍである。注入口１３ａには大気圧Ｐ0が作用している。大気圧Ｐ0は通常は１０１.３ｋＰａ程度である。密閉空間９の圧力Ｐは大気圧Ｐ0よりも減圧されており、減圧分ΔＰは、ΔＰ＝Ｐ0―Ｐである。
【００４２】
次に、ノズル１４先端のオリフィス面での液体試料の表面張力による「耐漏圧」の概念を説明する。図５は、ノズル１４の先端のオリフィス部を拡大した模式断面図である。図５は、大気圧Ｐ0と密閉空間９の圧力Ｐに差がない、すなわちΔＰ＝Ｐ0―Ｐ＝０の状態を示している。これは具体的には、液体試料の水頭差ｈによる水頭圧ρｇｈ（ここで、ｇは重力加速度）がゼロと見なせ、これと釣り合うインクタンク１３側で発生する毛細管力もゼロと見なせる状態を表している。水頭圧およびこれとバランスする毛細管力は、液体試料の密度ρを１とすれば５ｍｍ程度の水頭圧、すなわち約０.０５ｋＰａに相当するので無視できる大きさである。ノズル１４に充填された液体試料と空気との境界面４１は周囲とほぼ同一面である。
【００４３】
図６は、図５と同様にノズル１４の先端のオリフィス部を拡大した模式断面図である。本図は、図５の状態と異なり、大気圧Ｐ0と密閉空間９の圧力Ｐに差がある状態（すなわちΔＰ＞０）または、液体試料の水頭差ｈによる水頭圧ρｇｈがゼロと見なせない程度の大きさをもつ状態（すなわちρｇｈ＞０）を表している。ノズル１４に充填された液体試料と空気との境界面４２は、圧力差や水頭圧によって下側に凸状に膨らんでいるが、インクタンク１３側で発生する毛細管力のため、液体試料は落下せずにノズル１４内にとどまっている。図６中の矢印Ｑは、ノズル１４先端のオリフィス面での液体試料の表面張力（毛細管力）による「耐漏圧」を表している。なお、図５、６は説明の便宜上、インクタンク１３の底部に接続する流路の形状を簡略化し、フィルタ１５、ヒーター１６の記載を省略している。
【００４４】
耐漏圧Ｑは、液体試料の物性値、ノズル１４先端部の材質・表面性状・形状、ノズル１４の吐出口の内径φｄ等によって決まる値である。理論的な計算からもその大きさを求めることができるが、本実施形態においては、実験によって求めた値を採用した。図７は、本実施形態において耐漏圧Ｑを実測した時の測定概念を表す模式図である。まず、密度ρ等の物性値が液体試料と同じ液体を満たしたリザーバタンク４３と、リザーバタンク４３の下方に接続されたチューブ４４を用意し、チューブ４４内にも上記液体試料を満たしておく。本実施形態においては、液体試料の粘度は２.３ｍＰａ・ｓであり、表面張力は５０ｍＮ／ｍである。図４で説明したインクジェットヘッド１１のインクタンク１３に液体試料を所定量分注したあとに、チューブ４４をインクタンク１３に接続した。次に、ノズル１４先端のオリフィス面を観察しながら、ノズル１４先端のオリフィス面から液体試料が漏れ出さない範囲で、リザーバタンク４３を保持する高さを変えて、ノズル１４先端のオリフィス面からリザーバタンク４３の液体面までの高さの最大値ｈmaxを測定した。この結果、ｈmax＝９２ｍｍが得られ、耐漏圧Ｑに換算するとＱ＝０.９ ｋＰａとなった。このノズル１４先端の開口端から液体試料が漏れ出さない限界の耐漏圧Ｑが最大耐漏圧Ｑｍａｘである。
【００４５】
本実施形態においては、前述したように、インクジェットヘッド１１のそれぞれのインクタンク１３に分注されうる液体試料の水頭ｈは５ ｍｍであり、これを水頭圧Ｒに換算するとＲ＝０.０５ｋＰａである。そこで、密閉空間９の大気圧Ｐ0からの減圧分ΔＰを、最大耐漏圧Ｑｍａｘと水頭圧Ｒを用いて表す以下の条件式（１）を満たすように、ΔＰ＝０.８ ｋＰａに設定した。
【００４６】
ΔＰ＜（Ｑｍａｘ−Ｒ）＝（０.９−０.０５） ｋＰａ＝０.８５ｋＰａ・・・（１）
以上の説明に基づいて、液体試料がノズル１４のオリフィスまで確実に充填されるようにする手順を以下に説明する。まず、ステージ４の凹部７にインクジェットヘッド１１をセットし、ノズル１４の開口端側をゴムキャップ２２で密閉し、密閉空間９を形成する。次に、減圧手段によって密閉空間９の圧力Ｐが大気圧Ｐ0と比べてΔＰ＝０.８ ｋＰａだけ圧力が低くなるように減圧する。インクジェットヘッド１１に液体試料を分注する前は、すべてのインクタンク１３およびノズル１４は液体試料が充填されず空の状態になっているので、圧力差ΔＰの働きによってインクタンク１３からノズル１４にかけて空気が流れている。この状態でインクジェットヘッド１１のインクタンク１３にチップ１によって液体試料を順次分注していく。インクタンク１３の注入口１３ａの側とノズル１４の側との圧力差ΔＰにより空気が流れている状態で液体試料をインクタンク１３内に分注滴下すると、液体試料は重力と毛細管力に加えて圧力差ΔＰの効果によって、ノズル１４先端のオリフィスまで確実に充填される。圧力差ΔＰは常に一定値０.８ｋＰａになるように制御されているので、液体試料がノズル１４先端のオリフィスまで充填された後にオリフィスから漏れ出ることはなく、図６のような状態が維持される。さらに、この状態でステージ４をＸＹ方向に、シリンジボックス２をＺ方向に動かしながら、チップ１によってインクジェットヘッド１１の残りのインクタンク１３に液体試料を順次分注していく。そして分注の必要なすべてのインクタンク１３に液体試料の分注を終了すると、電磁弁２９を大気開放する。これによってノズル１４の開口端とインクタンク１３の注入口１３ａとが均圧され、密閉空間９の圧力は大気圧Ｐ0、すなわちΔＰ＝０となるが、ノズル１４の開放端から空気が流入することはなく、図５のような状態が維持される。最後に、手回しネジ８を外してインクジェットヘッド１１を分注装置のステージ４から外す。以上によってインクジェット方式による描画の準備が終了する。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態においては密閉空間９の圧力Ｐを、液体試料がオリフィスから漏れ出ることのない限界近くまでいったん下げ、オリフィス内部の空気を抜き、確実に液体試料で充填させた上で、再度密閉空間９の圧力Ｐを大気圧Ｐ0に戻しオリフィスの液面を安定な状態にしている。このため、従来行っていたような複雑で大掛かりなヘッド吸引装置は不要となり、また、ヘッド吸引動作が不要になるため、ヘッドの描画のための準備時間が短縮できる。さらに、液体試料を無駄に廃棄することがなくなる、という効果も得られる。
【００４８】
［第２の実施形態］
図８は本発明の第２の実施形態によるゴムキャップ６１の概観図である。本実施形態は、密閉空間９を大気圧に比べて減圧させる減圧手段として、インクジェットヘッド１１のすべてのノズル１４を一括してカバーするゴムキャップ２２を使用する代わりに、ゴムキャップ６１を複数個設けた点が第１の実施形態と異なっている。インクジェットヘッド１１のノズル１４の総数が非常に多くてインクジェットヘッド１１自身も大きい場合などに、一括してカバーするゴムキャップ２２では圧力差ΔＰを制御することが難しいこともあるので、このような場合は、図８に示すように、インクジェットヘッド１１への分注動作と対応させて、ゴムキャップ６１を複数用意し、個別に圧力制御することができる。なお、図８においては５個のゴムキャップ６１を示しているが、これは例示であり、４個以下または６個以上とすることもできる
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施例の分注装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施例の図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例のシステム図である。
【図４】本発明の第１の実施例のインクジェットヘッドのインクタンクの側方断面およびインク流路の構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第１の実施例のインクジェットヘッドのオリフィス部を拡大した模式断面図である。
【図６】本発明の第１の実施例のインクジェットヘッドのオリフィス部を拡大した模式断面図である。
【図７】本発明の第１の実施例における耐漏圧Ｑを実測したようすを表す模式図である。
【図８】本発明の第２の実施例におけるゴムキャップの構成を示す模式図である。
【図９】従来の分注装置の要部斜視図である。
【図１０】従来技術におけるインクジェットヘッドの概観斜視図である。
【図１１】従来技術における図１２のＩ−Ｉ断面の一部である。
【図１２】従来技術のヘッド吸引装置の上面図である。
【図１３】従来技術における図１５のＫ−Ｋ断面図である。
【図１４】従来技術における図１４の右側面図である。
【図１５】従来技術における図１４の右側面図である。
【図１６】従来技術におけるインクジェットヘッド単体の上面図である。
【図１７】従来技術における図１８のＬ−Ｌ断面図である。
【図１８】従来技術におけるノズルから液体を吸引する場合の流路図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    チップ
２    シリンジボックス
３    支柱
４    ステージ
５    洗浄層
６    液槽
７    凹部
８    手回しネジ
９    密閉空間
１１   インクジェットヘッド
１３   インクタンク
１３ａ    注入口
１４   ノズル
１５  フィルタ
１６  ヒーター
２１    減圧手段
２２   ゴムキャップ
２３   プレート
２４   スプリング
２５   パイプ
２６   チューブ
２７   穴
２８   溝
２９   プローブ
３０   電磁弁
３１   レギュレータ
３２   真空ポンプ
３３   圧力計
３４   制御部
４１、４２   境界面
４３   リザーバタンク
４４   チューブ
５１   ゴムキャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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